七版生物化学 06章生物氧化

1、生物化学第六章 生物氧化Biological Oxidation主讲人：王平潍坊医学院生化教研室生成ATP的氧化磷酸化体系 其他不生成ATP的氧化体系目 录概述物质在生物体内进行氧化称生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2 和 H2O的过程。糖 脂肪 蛋白质 CO2和H2O O2能量ADP+PiATP热能一、生物氧化（Biological Oxidation）的概念 此过程需耗氧、排出CO2，又在活细胞内进行，故又称细胞呼吸。糖原 甘油三酯 蛋白质 葡萄糖 脂酸+甘油 氨基酸 乙酰CoA 电子传递 H2O ADP+Pi ATP CO2 生物氧化的一般过程2H

2、 TAC 1.ATP如何产生的？2.H2O如何生成？本章主要解决的问题是： 体内氧化 体外氧化（1）物质氧化方式：加氧、脱氢、失电子（2）物质氧化时消耗的氧量、得到的产物和能量相同。 1、相同点二. 生物氧化的特点 2、不同点 体内氧化 体外氧化（1）反应条件： 温和 剧烈（2）反应过程： 分步反应 一步反应 能量逐步释放 能量突然释放（3）产物生成： 间接生成 直接生成（4）能量形式： 热能、ATP 热能、光能Section 1 The Oxidation System of Producing ATP 第一节 生成ATP的氧化磷酸化体系 呼吸链的种类及排列顺序呼吸链的部位、概念及本质呼吸链

3、的组成及特点呼 吸 链一 氧化呼吸链是一系列有电子传递功能的氧化还原组分真核生物生物氧化发生的场所线粒体原核生物生物氧化发生的场所细胞质膜部 位基 本 概 念呼 吸 链 营养物质代谢脱下的成对氢原子（2H）以还原当量形式存在，再通过多种酶和辅酶催化的氧化还原连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，逐步释放的能量可驱动ATP生成。这包含多种氧化还原组分的传递链称为氧化呼吸链(oxidative respiratory chain)又称电子传递链(electron transfer chain)。递氢体递电子体呼吸链中参与传递H的辅酶或辅基。呼吸链中参与传递电子的辅酶或辅基。 本质：酶和辅酶。 功能

4、：传递氢和电子（2H 2H+ + 2e） 呼吸链基 本 概 念呼 吸 链呼吸链组成：递氢体和电子传递体。H2O（一）氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的复合体组成呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成。电子传递过程释放的能量驱动H+移出线粒体内膜，转变为跨内膜H+梯度的能量，再用于ATP的生物合成。 组 成四种酶复合体：复合体I IV两个可灵活移动的成分：泛醌（Q）和 细胞色素C 呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置* 泛醌 和 Cyt c 不包含在上述四种复合体中。人线粒体呼吸链复合体复合体酶名称复合体复合体复合体复合体NADH-泛醌还原酶琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素C还原酶细胞色素c氧化

5、酶辅基FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卟啉，Fe-S 铁卟啉，Cu 多肽链数394 1113 复合体酶名称复合体复合体复合体复合体NADH-泛醌还原酶琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素C还原酶细胞色素c氧化酶辅基FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卟啉，Fe-S 铁卟啉，Cu 多肽链数394 13 功能: 复合体NADH CoQ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2 1、复合体（ NADH-泛醌还原酶） 是将NADH+H+中的电子传递给 泛醌，每传递2个电子可将4个H+从内 膜基质侧泵到胞浆侧，有质子泵功能。1.NADH2.FMN3.Fe-

6、S4.CoQ复合体组 成 黄素蛋白，辅基为FMN或FAD; 铁硫蛋白，辅基为Fe-S。（1）NAD+和NADP+的结构R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+ （2） 尼克酰胺核苷酸的作用原理+ H+ e+ H+ H+2HHHeH+HNAD(P)+ NAD(P)H+H+2H-2H双电子传递体FMN称为黄素单核苷酸，是黄素蛋白(酶)的辅基，发挥功能的部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMNH,属于单、双电子传递体。FMNH复合体成分1 FMN ：递氢体复合体成分2 Fe-S：单电子传递体 铁硫簇(Fe-S)是铁硫蛋白(酶)中辅基，含有等量铁原子和硫原子，主要(2Fe-2S)

7、或 (4Fe-4S) 形式存在.其中铁原子可进行Fe2+ Fe3+e 反应传递电子。 泛醌（ubiquinone ,Q）亦称辅酶Q（Coenzyme Q ,CoQ）人体中：CoQ10（1）结构 1)含有很多异戊二烯侧链的醌类化合物 2)脂溶性 3)是电子传递体中唯一可游离存在的电子载体（无蛋白）（2）作用：电子和质子的传递体 在各复合体间募集并穿梭传递还原 当量和电子。在电子传递和质子移动 的偶联中起着核心作用。 （3）泛醌的作用机理 复合体电子传递：NADHFMNFe-SCoQFe-SCoQ MNADH+H+ NAD+ FMN FMNH2还原型Fe-S 氧化型Fe-SQQH2MH2M4H+2

8、e2e2e2e代谢物2. 复合体: 琥珀酸-泛醌还原酶 功能: 将电子从琥珀酸传递给泛醌 复合体琥珀酸 CoQFAD; Fe-S1; Fe-S2 ; Fe-S3 复合体没有H+泵的功能。结构及组成 黄素蛋白，辅基为FAD; 铁硫蛋白，辅基为Fe-S1234递氢体（1）黄素核苷酸的作用原理琥珀酸 FADH2 Fe-S CoQ 电子传递 3. 复合体: 泛醌-细胞色素c还原酶 功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c 复合体QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c1b562、 b566是吸收波长不同的两个细胞色素， b562电位较高，又称 bH ; b566 电位较低，又称bL 。细胞

9、色素b-c1复合体细胞色素体系（cytochrome,Cyt）（1） Cyt的本质细胞色素 = 酶蛋白 + 血红素细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类。血红素中的铁原子可进行Fe2+ Fe3+e反应传递电子, 属单电子传递体。 （2） Cyt的功能（3） Cyt的分类(根据吸收光谱和最大吸收峰的不同）30多种a类：a、a1、a2、 a3 b类：b、b17、P450 c类：c、c1、c2、 c3 各种还原型细胞色素的主要光吸收峰细胞色素波长（nm）a600439b562532429c550521415c1554524418Cyt c是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，与线粒体内膜外表面疏松结

10、合，不包含在复合体中,将获得的电子传递到复合体。 电子传递过程：CoQH2(Cytb566 Cyt b562)FeSCytc1 Cytc Q循环复合体每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个H+，复合体也有质子泵作用。4H+4. 复合体: 细胞色素c氧化酶 功能：将电子从细胞色素c传递给氧 复合体还原型Cyt c O2CuAaa3CuB 其中Cyt a3 和CuB形成的活性部位将电子交给O2。功 能将电子从细胞色素C传递给氧，递电子体。电子传递：CytcCuACyt aCyt a3CuBO2细胞色素c氧化酶CuB-Cyta3中心使O2还原成水的过程，有强氧化性中间物始终和双核中心紧密结合，不会引起细

11、胞损伤。2H+2H2O(3) 利用光谱变化确定各组分的氧化还原状态(1) 测各组分氧化还原电位（E0）递增 研究方法(2) 呼吸链复合物重组(4)利用呼吸链抑制剂（二）氧化呼吸链组分按氧化还原电位由低到高的顺序排列电子流动方向：总是由电负性较强的氧化还原对向具有更强电正性的氧化还原对流动。1. NADH氧化呼吸链NADH 复合体Q 复合体Cyt c 复合体O22. 琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸 复合体 Q 复合体Cyt c 复合体O2两条重要的呼吸链成分的排列顺序NADH FMN(Fe-S)CoQCytb Cytc1CytcCytaa3O2琥珀酸 FAD(Fe-S)NADH氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸

12、链*呼吸链传递顺序细胞色素的传递方向 笔洗一洗AA散 b、c1、c、aa3洗一洗两种呼吸链的比较相同:1. 将H传递给O2生成水；2. H和O2消耗，其它可反复使用；3. CoQ是两种呼吸链的汇合点。不同点: NADH呼吸链 琥珀酸呼吸链 普遍程度 较普遍 次要起始物 NADH FADH2ATP 2.5 1.5 ATP是如何生成？ 目的要求（一）掌握生物氧化的概念。了解生物氧化的方 式及生物氧化的特点。（二）掌握呼吸链的概念、组成及特点，两条重 要的氧化呼吸链排列顺序。了解呼吸链排 列顺序确定的实验依据。 二、氧化磷酸化* 定义氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)

13、是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATP，又称为偶联磷酸化。 底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation) 直接将代谢分子中的能量转移至ADP（或GDP），生成ATP（或GTP）的过程。琥珀酸+CoA+GTP 琥珀酰CoA+H3PO4+GDP琥珀酰CoA合成酶*底物水平磷酸化仅见于下列三个反应：糖酵解途径中（2个）三羧酸循环中（1个）概念:每消耗1mol 氧原子，所消耗的无机磷摩尔数一对电子通过呼吸链P/O比值：一对电子通过呼吸链时生成ATP的个数 1个氧原子2e+O O2-ADP+Pi ATP无机磷个数生成ATP的个数1. 根据P/O比值推

14、测生成ATP的偶联部位（一）氧化磷酸化偶联部位是在复合体、P/O比值=ATP数 利用P/O比值推测氧化磷酸化偶联部位： 羟丁酸：P/O 3 2e从NADH到O2 生成3个ATP琥珀酸：P/O 2 2e从琥珀酸到O2 生成2个ATP 因此，NADHQ 存在偶联部位。抗坏血酸：P/O 1 2e从Cytc到O2生成1个ATP 因此，Cytaa3O2 存在偶联部位。 Q Cyt c 存在偶联部位。标准自由能：G=-nFE2.根据自由能变化推测偶联部位合成1molATP时，需提供的能量至少为G0=-30.5kJ/mol。电子传递链自由能变化 ATPATP ATP 氧化磷酸化偶联部位结论（二） 氧化磷酸化

15、的偶联机理1. 化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时，其能量驱动ADP与Pi生成ATP。 了解 因提出氧化磷酸化偶联机制：化学渗透学说而在1978年获诺贝尔化学奖的Peter D Mitchell线粒体基质 线粒体膜 + + + + - - - - H+ O2 H2O H+e- ADP+Pi ATP 化学渗透假说简单示意图电子传递给氧释出的能量推动质子泵将H+泵至内膜胞液侧，形成化学梯度（势能）当H+顺梯度回到基质面时，释出的能量使ADP

16、磷酸化为ATP F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸 琥珀酸 H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP 4H+ 2H+ 4H+ 胞液侧 基质侧 + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 电子传递过程复合体 (4H+) 、 (4 H+)和 (2H+)有质子泵功能。 1. ATP合酶ATP合酶结构模式图催化亚基（三）质子顺梯度回流释放能量被ATP合酶利用催化ATP合成 F1:亲水部分组成：33,OSCP, IF1亚基功能：催化ATP生成。F0:疏水部分组成：a, b2, c912亚基功能：构成质子通道，将 质子梯度产生的能

17、量导向F1。寡霉素柄部: 存有其他亚基，其中一个称为寡霉素敏感蛋白（OSCP)，在寡霉素存在时使ATP合酶不能合成ATP。当H+顺浓度递度经F0中a亚基和c亚基之间回流时，亚基发生旋转，3个亚基的构象发生改变。ATP合酶的工作机制（2）ATP合成的结合变构机制(binding change mechanism) L结合ADP和Pi；T合成ATP；O释放ATP。三、氧化磷酸化作用可受某些内外源因素影响（一）有3类氧化磷酸化抑制剂1、呼吸链抑制剂复合体抑制剂：鱼藤酮(rotenone)、粉蝶霉素A(piericidin A)及异戊巴比妥(amobarbital)等阻断传递电子到泛醌 。复合体的抑制

18、剂：萎锈灵(carboxin)。复合体抑制剂：抗霉素A(antimycin A)阻断Cyt bH传递电子到泛醌(QN) ；粘噻唑菌醇则作用QP位点。复合体 抑制剂：CN、N3紧密结合中氧化型Cyt a3，阻断电子由Cyt a到CuB- Cyt a3间传递。CO与还原型Cyt a3结合，阻断电子传递给O2。 作用：阻断电子传递NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt cCyt cCyt aa3O2鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥 抗霉素A二巯基丙醇 CO、CN-、N3-及H2S各种呼吸链抑制剂的阻断位点H膜内外电化学梯度电子传递使H跨膜转移H经ATP合酶的F0 单元回流

19、ATP合成H经从其它途径回流能量以热能散失，不能合成ATP呼吸链正常2、解偶联剂破坏电子传递建立的跨膜质子电化学梯度作用：使氧化过程与磷酸化过程脱节举例：2，4-二硝基苯酚、解偶联蛋白。解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体） F0 F1 Cyt cQ胞液侧 基质侧 解偶联 蛋白热能 H+ H+ ADP+Pi ATP 硬肿症 给大白鼠注射DNP可能出现什么现象？ 寡霉素可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成。 作用：抑制电子传递及氧化磷酸化过程 举例：寡霉素3、ATP合酶抑制剂不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响 ADP/ATP： 抑制氧化磷酸化，ATP生成ADP/ATP： 促进氧化磷酸化

20、，ATP生成H2O + NAD+NADH + H+ + O212ADP+PiATP氧化磷酸化（二）ADP 是调节正常人体氧化磷酸化速率的主要因素。 ATP分解 产热量ATP合成 耗氧量（三）甲状腺激素刺激机体耗氧量和产热同时增加。Na+，K+ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。（四）线粒体DNA突变可影响机体氧化磷酸化功能。四、ATP在能量的生成、利用、转移和储存中起核心作用高能磷酸:水解时释放的能量大于21kJ/mol的磷酸酯键，常表示为P。高能磷酸化合物:含有高能磷酸键的化合物。ATP 1、ATP分子中的高能磷酸基的来源 （1） 氧化磷酸化：主要来源 （2） 底物水平磷酸化 核苷二磷酸激酶

21、的作用ATP + UDP ADP + UTPATP + CDP ADP + CTPATP + GDP ADP + GTP腺苷酸激酶的作用 ADP + ADP ATP + AMP2.多磷酸核苷间的能量转移肌酸激酶的作用磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。 3.ATP的生 成和利用ATP ADP 肌酸 磷酸肌酸 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 P P 机械能(肌肉收缩)渗透能(物质主动转运) 化学能(合成代谢)电能(生物电)热能(维持体温)生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。线粒体外NADH2的氧化1.-磷酸甘油穿梭2.苹果酸-天冬氨酸穿梭（二）两种穿梭系统的比较五、线粒体内膜对各种物

22、质进行选择性转运（一）胞浆中NADH通过穿梭机制进入线粒体氧化呼吸链1.-磷酸甘油穿梭（1）特点：线粒体内外的-磷酸甘油脱氢酶的辅酶不同 胞液-NAD+ 线粒体-FADFADH2经琥珀酸氧化呼吸链 1.5ATP主要存在于骨骼肌、脑 NADH+H+ FADH2 NAD+ FAD 线粒体 内膜 线粒体 外膜膜间隙 线粒体 基质-磷酸甘油 脱氢酶 呼吸链 磷酸二羟丙酮 -磷酸甘油 （2）过程 2.苹果酸-天冬氨酸穿梭系统 （1）特点： 苹果酸脱氢酶的辅酶是NAD+通过NADH氧化呼吸链 2.5ATP主要存在于肝、心肌组织中。 NADH +H+ NAD+ NADH +H+ NAD+ 谷氨酸-天冬氨酸

23、转运体苹果酸-酮 戊二酸转运体 苹果酸 草酰乙酸 -酮戊二酸 谷氨酸 苹果酸 脱氢酶 谷草转 氨酶 胞液 线粒体内膜 基质 呼吸链 天冬氨酸 （2）过程AH2 A2HRCOOH CO2+RHE代谢物 氧化产物 2H-磷酸甘油穿梭苹果酸穿梭 + O212H2O 能量ADP+H3PO4ATP+ H2O氧化磷酸化胞液线粒体呼吸链（二）两种穿梭系统的比较-磷酸甘油穿梭苹果酸-天冬氨酸穿梭穿梭物质-磷酸甘油磷酸二羟丙酮苹果酸、 谷氨酸天冬aa、-酮戊二酸进入线粒体后转变成的物质FADH2NADH+ H+进入呼吸链 琥珀酸氧化呼吸链NADH氧化呼吸链生成ATP数1.52.5存在组织骨骼肌、神经组织肝脏和心

24、肌组织相同点将胞浆中NADH的还原当量转运到线粒体内ATP4- F0 F1 胞液侧 基质侧 腺苷酸转运蛋白磷酸盐转运蛋白 ADP3- H2PO4- ATP4- H+ H+ H+ H+ H2PO4- H2PO4- ADP3- ADP3- （二）ATP-ADP转位酶促进ADP进入和ATP移出紧密偶联（一）掌握氧化磷酸化的概念及偶联部位。熟悉氧 化磷酸偶联部位确定的实验及数据，P/O比值的定义 及意义。了解氧化磷酸化的偶联机制。熟悉ATP合酶 组成及作用（二）熟悉抑制剂、ADP、甲状腺素对氧化磷酸化的影响。了解线粒体DNA突变对氧化磷酸化的影响。 目的要求第二节 其他不生成ATP的氧化体系The Others Oxidative Enzyme Systems without ATP Producing其他不生成ATP的氧化体系包括过氧化物酶体系：与ATP的生成无关，清除活 性氧。微粒体氧化体系：与ATP的生成无关，光滑内 质网上发生，机体对非营养 物质发生的生物转化，与机 体排毒及排出异物有关。一、抗氧化酶体系有清除反应活性氧类的功能O2 + 4e2O2-O2 +2eH2O22H+O2 +3e3H+OH + H2OeO2 +O2.后三者统称反应活性氧类(ROS)，都有得到电子的趋势，即具有氧化性。ROS主要来源线粒体：超氧阴离子O-2，